精品畢業論文--基于物聯網技術的溫室大棚控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 5mm 5mm），工作于 433/868/915MHz3 個 ISM頻道。 nRF905 可以自動完成處理字頭和 CR (循環冗余碼校驗 )的工作，可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼 /解碼，使用 SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以 10dBm 的輸出功率發射時電流只有 11mA，在接收模式時電流為 [10]。單片機由 I/O 端口控制 nRF905 模塊的狀態接口、模式接口和 SPI 接口。 nRF905 詳細結構圖如圖 所示。 nRF905 結構圖 主機與從機之間的通信通過無線收發模塊實現。以 AT89S52 單片機為微控制器，與設計好的 nRF905 無線 收發模塊相連接，具備數據發送和數據接收的功能。連接電路由一對配置 nRF905 模塊構成，其中一端作為發送端，另一端作為 14 接收端。主機與從機之間無線通信連接電路圖見附錄 1。 本系統的單片機與上位機之間的串口通訊采用符合 RS485 電氣標準的MAX485 芯片。 RS485 標準的特點：采用差動發送 /接收，共模抑制比高，抗干擾能力強；傳輸速率高，它允許的最大傳輸速率可達 10Mb/s(傳送 15m)；傳送距離遠，采用雙絞線，在不用 MODEM 的情況下，當以 100kb/s 的傳輸速率時，可傳送的距離為 ； 能實現多 點對多點的通信， RS485 允許平衡電纜上連接32 個發送器 /接收器對。它非常適合溫室大棚規模擴大時的測控系統的擴展。單片機和上位機之間的通信必須用 RS232/RS485 轉換器 EM485B 將電平進行轉換。MAX485 與單片機連接電路，如圖 所示。 (T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MOSO)7(SCK)8RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE(PRCG)30EA/VPP31(AD7)32(AD6)33(AD5)34(AD4)35(AD3)36(AD2)37(AD1)38(AD0)39VCC40U2AT89S52R01RE2DE3DI4VCC5B6A7GND8U3MAX485A1B2VOUT3U4EM485B上位機+5GND1KR3GNDVCC 圖 單片機與上位機 通信電路圖 控制電路 模塊 本設計的控制電路模塊選用繼電器作為控制系統的開關。 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流 的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。如圖 所示，從機從主機接受指令控制繼電器的開關，從而使各類執行器件起到對溫室 15 環境調節的作用。 (T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MOSO)7(SCK)8RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE(PRCG)30EA/VPP31(AD7)32(AD6)33(AD5)34(AD4)35(AD3)36(AD2)37(AD1)38(AD0)39VCC40U2AT89S52GND12345K1RelayQ42N39041KR11VCC加熱系統GND12345K2RelayQ52N39041KR12VCC通風系統GND12345K3RelayQ62N39041KR13VCC滲灌系統GND12345K4RelayQ72N39041KR12VCC補光系統 圖 繼電器控制電路 電源電路模塊 本設計中用到 3 種電源，分別為 5V、 +5V、＋ 12V。 如圖 所示， 220V交流電經變壓器降壓、橋式整流、電容濾波后由 790 780 7812 三端集成穩壓管分別得到 5V、 +5V、＋ 12V 電壓， 為 整個系統供電。 16 D1T1AC 220VC222200UC232200UC242200UC21IN1OUT2GND3U107805IN1OUT2GND3U87812IN1OUT2OUT3U97905C19C200,1U+12V+5V5V 圖 電源電路圖 4 系統軟件設計 根據空氣溫 濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照度等數據的特點和農作物的生長特點，本系統對溫室的空氣溫度、光照度進行 PID 算法控制。兩者的數據先被傳感器采集，經過信號處理，存入 AT89S52 的內部數據存儲器，與設定值進行比較，經過 PID 算法得到控制量并由單片機輸出去控制加熱爐、補光光源。 PID 控制算法原理 控制器本身是一種基于對 “ 過去 ” 、 “ 現在 ” 和 “ 未來 ” 信息估計的簡單控制算法。常規的控制系統主要由控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，它根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組 合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱控制器。 在連續控制系統中， PID 控制器的輸出 u(t)與輸入 e(t)之間成比例、積分、微分的關系。即 17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??? ? dtdeTdeTtektu Dip???01 () 寫成傳遞函數的形式 ? ? ? ?? ? ???????? ???? sTsTksE sUsG Dp111 () PID 控制器各個參數對系統的動態和穩態性能有不同的影響 [11]。 A 比例作用 比例作用的引入是為了及時成比例地反應控制系統的偏差信號，以最快速度產生控制作用，使偏差 向減小的趨勢變化。 (1) 對動態特性的影響 比例控制參數 Kc 凡加大，使系統的動作靈敏，速度加快， Kc 偏大，振蕩次數加多，調節時間加長。當 Kc 太大時，系統會趨于不穩定，若 Kc 太小，又會使系統的動作緩慢。 (2)對穩態特性的影響 加大比例系數 Kc，在系統穩定的情況下，可以減小穩態誤差 ess，提高控制精度，但是加大 Kc 只是減少 ess，卻不能完全消除穩態誤差。 在 PID 控制的閉環系統中，對于設定值的變化和外擾的響應是不同的，在工程應用上對兩者的性能要求也有所不同，對設定值的變化一般要求滿足一定的前提條件，如無超調 下的快速跟蹤對外擾則希望閉環系統在具有一定衰減比的情況下快速克服。 B 積分作用 積分作用的引入，主要是為了保證被控量在穩態時對設定值的無靜差跟蹤，它對系統的性能影響可以體現在以下兩方面： (1) 對動態特性的影響 積分作用通常使系統的穩定性下降。如果積分時間 Ti 太小系統將不穩定，Ti 偏小，振蕩次數較多 ； 如果 Ti 太大，對系統性能的影響減少，當 Ti 合適時，過渡特性比較理想。 (2) 對穩態特性的影響 積分作用能消除系統的穩態誤差，提高控制系統的控制精度。但是 Ti 太大 18 時，積分作用太弱，以至不能減小穩態誤差。 C 微分作用 微分作用通常與比例作用或積分作用聯合作用，構成 PD 控制或者 PID 控制。 微分作用的引入，主要是為了改善閉環系統的穩定性和動態特性，如使超調量較小，調節時間縮短，允許加大比例控制，使穩態誤差減小，提高控制精度。當微分時間 Td 偏大時，超調量較大，調節時間較長 ； 當 Td 偏小時，超調量也較大，調節時間也較長只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。直觀地分析，假設被控對象存在一定的慣性，微分作用將使得控制作用與被控量，與偏差量未來變化趨勢之間形成近似的比例關系。 從頻域分析的角度講，微分作用等效于一個高通濾 波器，即有可能在控制 輸出中引入較強的高頻噪聲，這是實際控制所不希望的。 在現代由于計算機進入控制領域，用數字計算機代替模擬計算機調節器組成計算機控制系統，用軟件實現 PID 控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使 PID 控制更加靈活。計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續 PID 控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計算機 PID 控制中，使用的是數字 PID 控制器。目前有位置式 PID 控制算法以及增量式 PID 控制算法 [12]。 本系統采用了增量數字化 PID 算法。 增量 式控制器是指控制器每次輸出的只是控制量的增量，當執行機構，例如步進電機，需要的是增量而不是位置量的絕對數值時，就可以使用增量式 PID 控制器進行控制 [13]。 增量 )(ku? ，當執行機構需要的是控制量的增量時，應采用增量式 PID 控制。根據遞推原理可得 T kekekTjekkekku dkjip )2()1()()1()1( 10 ???????? ??? () 用式 ()減式 ()，可得增量式 PID 控制算法 19 T kekekekTkekkekekku dip )2()1(2)()())1()(()( ?????????? () 式 ()稱為增量式 PID 控制算法，將其進一步可改寫為 )2()1()()( 210 ?????? keakeakeaku () 式中， )1(0 TTTTka dip ???， )21(1 idp TTka ??，idp TTka ?2 增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來了不少的優點 [14]： (1) 由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。 (2) 手動 /自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換。此外，當計算機發生故障時，由于 輸出通道或執行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值。 (3) 算式中不需要累加。控制增量 u(k)的確定，僅與最近 k 次的采樣值有關， 所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。 但是增量式控制也有其不足之處 [15]：積分截斷效應大，有靜態誤差；溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執行器或在控制精度要求高的系統中，可采用位置式控制算法，而在以步進電動機或電動閥門作為執行器的系統中，則可采用增量式控制算法。 系統下位機主程序流程圖設計 本系統軟件下位機程序主要 由下位機各數據測控、上位機與下位機通訊、報警等程序組成。下位機主程序流程圖，如圖 所示。傳感器采集的數據存儲入單片機，單片機初始化，開始比較采集的空氣溫濕度是否在測量范圍內，如果在測量范圍內，則比較采集到的土壤濕度是否在測量范圍內，否則進入空氣溫度調整子程序，控制加熱爐加熱或者通風系統通風以升高或降低空氣溫濕度，然后比較采集到的土壤濕度是否在測量范圍內，以此類推，當比較完采集到的二氧化碳濃度后進入下一個循環重新開始比較空氣溫濕度。 20 N Y N Y N Y N Y N N Y 圖 主程序圖 開始 系統初始化 參數設定 空氣溫濕度測量 空氣溫度是否在測量范圍內 空氣濕度測量 空氣溫度調整子程序 空氣濕度是否在測量范圍內 土壤濕度測量 空氣濕度調整子程序 土壤濕度